Spørgsmål:
Ligheder mellem store cirkulationsløsere og kappekonvektionsløsere
Neo
2014-04-16 02:55:50 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mit indtryk er, at både store havcirkulationsmodeller (f.eks. MITgcm) og Mantle Convection-modeller (f.eks. CitcomS) begge bruger Navier-Stoke som den regerende ligning. Hvad er de andre store ligheder mellem disse to typer modeller?

Skal der deles mere mellem disse to modelleringssamfund, da de begge er afhængige af væskedynamik?

Rediger: For dem der spekulerer på hvorfor dette kan være vigtigt: Du kan bruge kappekonvektion til at beregne dynamisk topografi og derefter parre den med varmestrømsmodeller for at forudsige stigning i havets overflade. Selvfølgelig skal du også parre det med glacial smeltedynamik og GCM'er. Se Muller et al., 2008 for mere information. Jeg ved, at der er et par geodynamiske effekter, der nu generelt arbejder på dette problem, men der er ikke offentliggjort noget væsentligt arbejde. (Maj 2015)

I mine u / g-dage brugte mantelkonvektionerne meget mere fysiske laboratoriemodeller ved hjælp af væsker med skalerbare egenskaber (Tate & Lyle Golden Syrup syntes populær!). Virkelige verdensobservationer i disse dage var næsten ingen, og selv i dag må det stadig være et observationsfattigt miljø.
Jeg elsker dette spørgsmål.
Dette er et køligt spørgsmål, men jeg tvivler på, at der er mange ligheder, fordi du har at gøre med ting i så forskellige skalaer (lodrette skalaer, opløsning og meget forskellige viskositeter), de tilnærmelser, der er nødvendige for de gitterede modeller, vil sandsynligvis være helt forskellige .
Min frygt er, at indtil dette websted vokser, vil dette blive ubesvaret. Måske kan vi tage det op igen i fremtiden.
Problemet med at få dette besvaret er, at det sandsynligvis har brug for nogen, der er ekspert i havmodellering * og * kappekonvektionsmodellering ... hvilket ikke er en kritik af spørgsmålet - jeg er nu også nysgerrig!
Jeg ville blive overrasket, hvis disse to systemer (Mantle and Oceans) virkelig var dimensionelt ens. Det er, du skal vise, at de passende dimensionsløse tal i disse to tilfælde er af samme størrelse. Er de?
Nuværende Ocean-modeller kan give et fingerpeg. På grund af den store forskel mellem tidsmæssige og rumlige skalaer er der mindst 3 klasser af løsere, der bruger forskellige teknikker afhængigt af skalaen. på. Det alene indikerer, at konvektionsopløsere og cirkulationsopløsere ville være forskellige. De løser begge NS-ligningen, men de anvender (man håber) forskellige matematiske / beregningsteknikker for at udtrække de oplysninger, der er relevante for deres problem, til de mindst mulige beregningsomkostninger.
Spørgsmålet her er den dominerende proces, og skalaerne er forskellige. Varmedynamikken er grundlæggende i Mantle Conveection, og Nusselt-nummeret (forholdet mellem ledende og konvektiv varme) er kritisk. I havdynamik er Rossby (rotation versus inerti) og Ekman (friktion versus rotation) tal meget vigtigere, og de tages normalt så tæt på nul i kappekonvektion.
Måske er det bedre spørgsmål at fremhæve forskellene mellem de to processer.
Jeg har bemærket, at dette spørgsmål har været ubesvaret i nogen tid nu. Dette spørgsmål passer også godt til Computational Science SE-webstedet: http://scicomp.stackexchange.com. Du kan overveje at stille dette spørgsmål der.
Jeg tror sidste gang jeg tjekkede koden, brugte mantelkonvektionsløsere teknikker som partikel i celle, dvs. meget høj viskositet forbundet med problemer. Cirkulationsløsere vil bruge højordens Runge Kutta. Jeg vil redigere kommentaren, når jeg husker bogen om dette emne, og tilføje den.
Sean, det giver faktisk meget mening ... Runge Kutta er dog ikke robust ... så det bedrøver mig lidt.
To svar:
Isopycnal Oscillation
2014-12-03 12:42:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ansvarsfraskrivelse: Dette er et delvis svar, da min baggrund er modellering af havet. Jeg håber, at nogle kappekonvektionsmodeller kan supplere dette svar.

Spørgsmålet er godt, men svaret er komplekst. Det korte svar er:

Nej, de er ikke de samme. Simpelthen fordi beregningsmæssigt ikke giver mening.

Jeg vil gøre mit bedste for at bryde det fra hinanden og gøre det så kortfattet som muligt.

Forord◄

Som mange mennesker har påpeget, er skalaer nøglen. De miljømæssige væskedynamiske problemer, vi forsøger at løse, spænder over enorme skalaer. Imidlertid er hver eneste bevægelse beskrevet af Navier-Stokes (NS) ligningen, fra den enkleste strøm, du kan tænke på hele vejen til den mest komplekse - det inkluderer turbulens (kontinuumhypotesen siger, at NS-ligningerne er gyldige, når Knudsen-nummer $ K_n \ ll 1 $).

Se på diagrammet nedenfor for oceaniske processer alene. Temporal skalaer spænder over 10 størrelsesordener, mens rumlige skalaer spænder over 12 størrelsesordener. Formentlig vil kappeløsere udvide de øvre grænser på hver af disse skalaer.

Det spørgsmål, du stiller, vedrører specifikt OGC-modeller (Oceanic Grand Circulation) og kappekonvektion (MC) -modeller. I henhold til nedenstående skema er OGC- og MC-modellerne ud for alle oceaniske modeller de tætteste så langt som tidsskalaer og rumlige skalaer går.

temporal and spatial scales

Kompleksiteten af ​​Navier-Stokes-ligningerne og vanskeligheden ved at løse dem

Navier-Stokes-systemet kan klassificeres som en hybrid elliptisk-hyperboltype til stabile strømme og en hybrid parabolisk- hyperbolsk type for ustabile strømme (den hyperbolske karakter kommer fra kontinuitetsligningen).

Hvor ligningernes art siger følgende om hver enkelt og deres respektive numeriske vanskeligheder:

Hyperbolisk natur er forbundet med bølgefænomener og advektiv transport:

  • Hurtige bølger fører til numeriske stabilitetsbegrænsninger

  • Ikke-lineær del af NS er hyperbolsk ($ \ mathbf {u} \ cdot \ nabla \ mathbf {u} $ ), som er den del af ligningen, der fører til turbulens.

  • Et af de sværeste aspekter ved CFD er muligvis udbredelsen af ​​fronter med skarp tæthed, som er hyperbolske.

Parabolsk natur er forbundet med diffusion og massetransport:

  • Grænselag styres af parabolske fænomener og er meget tynde i forhold til det miljø, der driver det. Bemærk forskellen i stor skala og tilhørende numeriske vanskeligheder.

  • Turbulens kan modelleres ud fra et parabolsk perspektiv, og dette resulterer typisk i stabilitetshensyn med den anvendte numeriske metode.

Elliptisk natur indebærer øjeblikkelig udbredelse af information:

  • For miljøvæskedynamik , det ikke-hydrostatiske tryk er af elliptisk art.

  • Selvom enhver forstyrrelse teoretisk forplantes med uendelig hastighed i hele domænet, indstiller numerisk iteration en endelig hastighed, hvormed information kan sprede sig.

  • Ikke-hydrostatiske opløsere skal vende en Poisson-ligning, som er meget beregningsdygtig. Generelt kræver 2-d-problemet for det ikke-hydrostatiske tryk løsningen af ​​en pentadiagonal, mens 3-d-problemet kræver løsningen af ​​aseptadiagonal (7 diagonaler) (ikke alle nær hoveddiagonalen!).

Skalaer og numeriske løsere

Så som man kan se nu, er det ikke en triviel sag at løse NS-ligningerne numerisk. Numeriske løsere skal have bekymringer med hensyn til nøjagtighed, stabilitet og konsistens, som begrænser det tidsfrist og gitteropløsning, som man kan anvende. Se dette svar vedrørende forskellige tilgange til numeriske løsere. Skalaer er vigtige for numeriske opløsere på grund af arten af ​​systemet med NS-ligninger (beskrevet ovenfor) og de analytiske matematiske teknikker, der er tilgængelige for os til at transkribe disse ligninger til det beregningsmæssige matematiske sprog. Som det står, er det umuligt at løse alle tidsmæssige og rumlige skalaer, så modellerere ty til specifikke teknikker (løsere), der gælder for problemet (skalaerne), som de er interesseret i.

Fra deres hjemmeside:

MITgcm (MIT General Circulation Model) er en numerisk model designet til undersøgelse af atmosfære, hav og klima. Dens ikke-hydrostatiske formulering gør det muligt at simulere væskefænomener over en lang række skalaer; dets tilstødende kapacitet gør det muligt at anvende den i parameter- og tilstandsestimeringsproblemer. Ved at anvende flydende isomorfier kan en hydrodynamisk kerne bruges til at simulere strømning i både atmosfæren og havet.

og

CitcomS er en endelig elementkode designet for at løse komprimerbare termokemiske konvektionsproblemer, der er relevante for jordens kappe.

Mit gæt er, at de begge bruger forskellige numeriske teknikker til at løse forskellige versioner af Navier-Stokes-ligningerne, der giver mest mening i betragtning af skalaerne på det problem, som hver enkelt sigter mod at løse.

stali
2014-12-09 01:39:13 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Den eneste lighed, at de er væsker og derfor gælder NS. Faktisk er det solidt at være retfærdig, da det tillader forskydningsbølger at sprede sig igennem. På geologiske tidsskalaer opfører det sig imidlertid som en tyktflydende væske og kan modelleres som sådan.

Cirkulationsmodeller løser komprimerbare (ikke-hydrostatiske) Euler-ligninger, hvor kappekonvektion styres af ukomprimerbar Stokes-strømning. De typer af centrale numeriske løsere og numeriske ordninger, der bruges af de to samfund, er meget forskellige (f.eks. Eksplicit til cirkulationsmodeller og implicit til konvektionsmodeller). Det eneste almindelige aspekt er, at begge bruger en sfærisk geometri / masker til at løse ligningerne. Cirkulationsmodeller skal også tage højde for topografi, men de fleste kappekonvektionsmodeller forsømmer det. Nogle af de tidligste mantelkonvektionsmodeller blev skrevet af luftfartsingeniører.



Denne spørgsmål og svar blev automatisk oversat fra det engelske sprog.Det originale indhold er tilgængeligt på stackexchange, som vi takker for den cc by-sa 3.0-licens, den distribueres under.
Loading...